电离辐射的生物学作用
一、辐射损伤作用的基本原理
电离辐射作用于人体，可在分子、细胞、组织、器官及整体水平上产生各种效应。轻者对生命活动无影响或仅引起某种功能性反应，重者造成可逆性或不可逆性损伤，严重者可导致死亡。机体各部分之间的变化和整体变化是一个十分复杂的过程。
电离辐射作用于机体后，在照射的瞬间发生辐射能传递和吸收、分子产生电离或激发。当带电粒子直接射在生物大分子上，沉积能量并引起物理和化学变化，如DNA和RNA可发生单链断裂、双链断裂及碱基损伤等，这称为直接作用。当带电粒子与生物体内的水分子（H2O）作用时，会产生各种自由基和活化分子（如H+、
OH－、H2O2、H2O+等）。这些辐射产物，再与生物大分子作用，使大分子遭到损伤和
破坏，称为间接作用。
由于生物代谢的变化，有些细胞的损伤得到修复，有的可停止分裂而陷入死亡，也有的无限制地分裂，导致癌症。射线虽可能对人体造成损伤，但在某些剂量下机体能通过自身的代谢过程对受损伤的细胞、组织和器官进行修复。这种修复能力的大小与原始损伤的程度有关，也与个体的差异有关。
二、影响电离辐射生物学作用的主要因素
辐射生物学作用受很多因素的影响，基本上可以归纳为2个方面，一是与辐射有关的因素，二是与机体有关的因素。
（一）与辐射有关的因素
1．辐射种类
不同种类的辐射所产生的生物效应不同，总的来说，这两者正好成反比关系。α射线的电离密度较大，但穿透能力很弱，因此，外照射时，对机体的损伤很小，而发射α射线的放射性核素进入体内时，则对机体的损伤作用很大。β射线的电离能力较α射线小，但穿透能力较强，外照射时可引起皮肤表层的损伤，内照射时亦可引起明显的生物效应。高能X射线和γ射线穿透能力很强，与机体内物质作用时产生次级电子，后者引起电离效应，其电离密度较α射线β射线小，但X射线和γ射线能穿透深层组织，外照射时易引起严重损伤。快中子和各种高能重
粒子也都具有很大穿透力，在组织内其射程的末端发生极高的电离密度。这种集中于深部局限范围内密集的辐射杀伤作用，现今已用于恶性肿瘤的放射治疗。
2．剂量
照射剂量与生物效应之间存在一定的相依关系，总的规律是剂量愈大，效应愈明显，但并不完全呈直线关系。从辐射作用的远期效应来看，照射剂量愈大，后果也愈严重。例如，日本广岛、长崎受原子弹爆炸辐射作用后幸存者中，离爆炸中心越近者发生肿瘤和白血病的频率越高。
表2-1 人体受不同剂量照射后的损伤效应
剂量（Gy） 0.0‾ 0.25 0.25‾0.5
0.5‾1.0
1.0‾2.0
2.0‾3.5
3.5‾5.5
5.5‾8.0 病 理 变 化 不明显或不易察觉的病变 可逆性功能变化,可能有血象改变 功能和血象的改变,但无临床症状 轻度骨髓型急性放射病 中度骨髓型急性放射病 重度骨髓型急性放射病 极重度骨髓型急性放射病
3．剂量率
剂量率是指单位时间内机体所接受的照射剂量，常以Gy/d、Gy/h、Gy/min、Gy/s表示。在一般情况下剂量率越大，生物效应越显著，但当剂量率达到一定程度时，生物效应与剂量率之间则失去比例关系。
4．单次照射和分次照射
同一剂量的辐射，在分次给予的情况下，其生物效应低于一次给予的效应。分次愈多，各次间隔时间愈久，则生物效应愈小。这与机体的修复过程有关。
5．照射部位
机体不同部位受照射产生的生物效应有较大的差异。实验结果证明，当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射引起的效应最为严重，依次为盆腔、头颈、胸部及四肢。照射的几何条件对生物效应有很大的影响。人体事故照射时，往往由于几何条件不同而造成身体各部分的不均匀照射。不同器官和组织的放射敏感性有
较大的差别，因此不均匀照射的后果因各部位吸收剂量不同而异。
6．照射面积
当照射的其他条件相同时，受照射的面积愈大，生物效应愈显著。在临床放射治疗中，一般都将照射野缩至尽可能小的范围内，并且采用分次照射以减少每次的剂量，这样就可降低正常组织的放射损伤效应，以达到对局部肿瘤尽可能大的杀伤力。
7．照射方式
照射方式可以是内照射和外照射。外照射又可以是单向或多向作用于机体。一般来说，多向照射的生物效应大于单向照射。多向照射增强生物效应的原因在于组织接受的照射剂量比较均匀。
（二）与机体有关的因素
放射敏感性：指当一切照射条件完全一致时，机体或其组织、器官对辐射作用的反应强弱或速度快慢不同。若反应强，速度快，其敏感性就高，反之则低。下面从生物种系、个体、组织细胞和分子水平4个方面来阐述机体的放射敏感性。
1．生物种系的放射敏感性
不同种系的生物对电离辐射的敏感性有很大的差异，其总的趋势是：种系演化越高，机体组织结构越复杂，则其放射敏感性越高。
2．个体发育的放射敏感性
放射敏感性因个体发育所处的阶段不同而有很大的差异，总的来说，放射敏感性随着个体发育过程而逐渐降低。在胚胎植入前期照射母体时，较小的剂量即可引起大量死亡，而不死的胚胎可继续发育，但畸形较少，因为细胞更新能力很强。人的这一阶段为妊娠第0‾9日。在器官形成期受到照射时，虽胚胎死亡率在相同剂量下较前一阶段降低，却出现大量畸形，人的这一阶段为第9‾42天。胚胎器官形成期以后，个体的放射敏感性逐渐下降，在出生后的个体发育中，幼年比成年的放射敏感性要高，但老年机体由于各种功能的衰退，其耐受辐射（特别是大剂量辐射）的能力明显低于成年时期。应当强调指出，胚胎和胎儿期受照射的儿童发生某些类型的癌症和白血病的危险度增高。关于胚胎发育不同阶段个体对电离辐射敏感性变化见表2-2。
表2-2 子宫内不同时期受照射可能发生的畸形
受照时间（周） 0‾4 4‾11
11‾16
16‾20
>30 大多数被吸收或流产 多数系统的严重畸形 缺 陷 主要是小头症,智力异常和生长延迟;骨髓、生殖器官和眼畸形很少 小头症、智力低下和眼畸形的病例很少 不大可能引起严重的解剖学缺陷，可能有功能障碍
关于电离辐射对个体发育影响的研究，对临床医学和卫生防护的重要意义是不言而喻的。因此，有的研究者提出了所谓“十日法规”，建议除了医疗指征绝对必需以外，对妇女下腹部的X射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天内进行，这样就可避免对妊娠子宫的照射，即使是低剂量的辐射作用也应完全避免。
3．不同器官、组织和细胞的放射敏感性
严格来说，没有一种组织完全不受辐射的影响，但不同组织和细胞对辐射作用的反应却有很大差别。人体各种组织的放射敏感性顺序排列如下：
（1）高度敏感的组织：
① 淋巴组织（淋巴细胞和幼稚淋巴细胞）；
② 胸腺（胸腺细胞）；
③ 骨髓（幼稚红、粒和巨核细胞）；
④ 胃肠上皮（特别是小肠和胃肠隐窝上皮细胞）；
⑤ 性腺（睾丸和卵巢的生殖细胞）；
⑥ 胚胎组织。
（2）中度敏感组织
① 感觉器官（角膜、晶状体、结膜）；
② 内皮细胞（主要是血管、血窦和淋巴管内皮细胞）；
③ 皮肤上皮（包括毛囊上皮细胞）；
④ 唾液腺；
⑤ 肾、肝、肺组织的上皮细胞。
（3）轻度敏感组织
① 中枢神经系统；
② 内分泌腺（包括性腺的内分泌细胞）；
③ 心脏。
（4）不敏感组织
① 肌肉组织；
② 软骨和骨组织；
③ 结缔组织。
4．亚细胞和分子水平的放射敏感性
同一细胞不同亚细胞结构的放射敏感性存在着很大差异，细胞内各不同“靶”分子相对放射敏感性的顺序如下：
DNA>mRNA>rRNA>蛋白质
DNA分子数量有限，而且它是遗传的物质基础，上述不同生物大分子放射损伤的敏感性顺序表明了DNA分子的重要性，这就使得DNA损伤在整个细胞的放射损伤中占据着特别重要的地位。
电离辐射的生物学作用
一、辐射损伤作用的基本原理
电离辐射作用于人体，可在分子、细胞、组织、器官及整体水平上产生各种效应。轻者对生命活动无影响或仅引起某种功能性反应，重者造成可逆性或不可逆性损伤，严重者可导致死亡。机体各部分之间的变化和整体变化是一个十分复杂的过程。
电离辐射作用于机体后，在照射的瞬间发生辐射能传递和吸收、分子产生电离或激发。当带电粒子直接射在生物大分子上，沉积能量并引起物理和化学变化，如DNA和RNA可发生单链断裂、双链断裂及碱基损伤等，这称为直接作用。当带电粒子与生物体内的水分子（H2O）作用时，会产生各种自由基和活化分子（如H+、
OH－、H2O2、H2O+等）。这些辐射产物，再与生物大分子作用，使大分子遭到损伤和
破坏，称为间接作用。
由于生物代谢的变化，有些细胞的损伤得到修复，有的可停止分裂而陷入死亡，也有的无限制地分裂，导致癌症。射线虽可能对人体造成损伤，但在某些剂量下机体能通过自身的代谢过程对受损伤的细胞、组织和器官进行修复。这种修复能力的大小与原始损伤的程度有关，也与个体的差异有关。
二、影响电离辐射生物学作用的主要因素
辐射生物学作用受很多因素的影响，基本上可以归纳为2个方面，一是与辐射有关的因素，二是与机体有关的因素。
（一）与辐射有关的因素
1．辐射种类
不同种类的辐射所产生的生物效应不同，总的来说，这两者正好成反比关系。α射线的电离密度较大，但穿透能力很弱，因此，外照射时，对机体的损伤很小，而发射α射线的放射性核素进入体内时，则对机体的损伤作用很大。β射线的电离能力较α射线小，但穿透能力较强，外照射时可引起皮肤表层的损伤，内照射时亦可引起明显的生物效应。高能X射线和γ射线穿透能力很强，与机体内物质作用时产生次级电子，后者引起电离效应，其电离密度较α射线β射线小，但X射线和γ射线能穿透深层组织，外照射时易引起严重损伤。快中子和各种高能重
粒子也都具有很大穿透力，在组织内其射程的末端发生极高的电离密度。这种集中于深部局限范围内密集的辐射杀伤作用，现今已用于恶性肿瘤的放射治疗。
2．剂量
照射剂量与生物效应之间存在一定的相依关系，总的规律是剂量愈大，效应愈明显，但并不完全呈直线关系。从辐射作用的远期效应来看，照射剂量愈大，后果也愈严重。例如，日本广岛、长崎受原子弹爆炸辐射作用后幸存者中，离爆炸中心越近者发生肿瘤和白血病的频率越高。
表2-1 人体受不同剂量照射后的损伤效应
剂量（Gy） 0.0‾ 0.25 0.25‾0.5
0.5‾1.0
1.0‾2.0
2.0‾3.5
3.5‾5.5
5.5‾8.0 病 理 变 化 不明显或不易察觉的病变 可逆性功能变化,可能有血象改变 功能和血象的改变,但无临床症状 轻度骨髓型急性放射病 中度骨髓型急性放射病 重度骨髓型急性放射病 极重度骨髓型急性放射病
3．剂量率
剂量率是指单位时间内机体所接受的照射剂量，常以Gy/d、Gy/h、Gy/min、Gy/s表示。在一般情况下剂量率越大，生物效应越显著，但当剂量率达到一定程度时，生物效应与剂量率之间则失去比例关系。
4．单次照射和分次照射
同一剂量的辐射，在分次给予的情况下，其生物效应低于一次给予的效应。分次愈多，各次间隔时间愈久，则生物效应愈小。这与机体的修复过程有关。
5．照射部位
机体不同部位受照射产生的生物效应有较大的差异。实验结果证明，当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射引起的效应最为严重，依次为盆腔、头颈、胸部及四肢。照射的几何条件对生物效应有很大的影响。人体事故照射时，往往由于几何条件不同而造成身体各部分的不均匀照射。不同器官和组织的放射敏感性有
较大的差别，因此不均匀照射的后果因各部位吸收剂量不同而异。
6．照射面积
当照射的其他条件相同时，受照射的面积愈大，生物效应愈显著。在临床放射治疗中，一般都将照射野缩至尽可能小的范围内，并且采用分次照射以减少每次的剂量，这样就可降低正常组织的放射损伤效应，以达到对局部肿瘤尽可能大的杀伤力。
7．照射方式
照射方式可以是内照射和外照射。外照射又可以是单向或多向作用于机体。一般来说，多向照射的生物效应大于单向照射。多向照射增强生物效应的原因在于组织接受的照射剂量比较均匀。
（二）与机体有关的因素
放射敏感性：指当一切照射条件完全一致时，机体或其组织、器官对辐射作用的反应强弱或速度快慢不同。若反应强，速度快，其敏感性就高，反之则低。下面从生物种系、个体、组织细胞和分子水平4个方面来阐述机体的放射敏感性。
1．生物种系的放射敏感性
不同种系的生物对电离辐射的敏感性有很大的差异，其总的趋势是：种系演化越高，机体组织结构越复杂，则其放射敏感性越高。
2．个体发育的放射敏感性
放射敏感性因个体发育所处的阶段不同而有很大的差异，总的来说，放射敏感性随着个体发育过程而逐渐降低。在胚胎植入前期照射母体时，较小的剂量即可引起大量死亡，而不死的胚胎可继续发育，但畸形较少，因为细胞更新能力很强。人的这一阶段为妊娠第0‾9日。在器官形成期受到照射时，虽胚胎死亡率在相同剂量下较前一阶段降低，却出现大量畸形，人的这一阶段为第9‾42天。胚胎器官形成期以后，个体的放射敏感性逐渐下降，在出生后的个体发育中，幼年比成年的放射敏感性要高，但老年机体由于各种功能的衰退，其耐受辐射（特别是大剂量辐射）的能力明显低于成年时期。应当强调指出，胚胎和胎儿期受照射的儿童发生某些类型的癌症和白血病的危险度增高。关于胚胎发育不同阶段个体对电离辐射敏感性变化见表2-2。
表2-2 子宫内不同时期受照射可能发生的畸形
受照时间（周） 0‾4 4‾11
11‾16
16‾20
>30 大多数被吸收或流产 多数系统的严重畸形 缺 陷 主要是小头症,智力异常和生长延迟;骨髓、生殖器官和眼畸形很少 小头症、智力低下和眼畸形的病例很少 不大可能引起严重的解剖学缺陷，可能有功能障碍
关于电离辐射对个体发育影响的研究，对临床医学和卫生防护的重要意义是不言而喻的。因此，有的研究者提出了所谓“十日法规”，建议除了医疗指征绝对必需以外，对妇女下腹部的X射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天内进行，这样就可避免对妊娠子宫的照射，即使是低剂量的辐射作用也应完全避免。
3．不同器官、组织和细胞的放射敏感性
严格来说，没有一种组织完全不受辐射的影响，但不同组织和细胞对辐射作用的反应却有很大差别。人体各种组织的放射敏感性顺序排列如下：
（1）高度敏感的组织：
① 淋巴组织（淋巴细胞和幼稚淋巴细胞）；
② 胸腺（胸腺细胞）；
③ 骨髓（幼稚红、粒和巨核细胞）；
④ 胃肠上皮（特别是小肠和胃肠隐窝上皮细胞）；
⑤ 性腺（睾丸和卵巢的生殖细胞）；
⑥ 胚胎组织。
（2）中度敏感组织
① 感觉器官（角膜、晶状体、结膜）；
② 内皮细胞（主要是血管、血窦和淋巴管内皮细胞）；
③ 皮肤上皮（包括毛囊上皮细胞）；
④ 唾液腺；
⑤ 肾、肝、肺组织的上皮细胞。
（3）轻度敏感组织
① 中枢神经系统；
② 内分泌腺（包括性腺的内分泌细胞）；
③ 心脏。
（4）不敏感组织
① 肌肉组织；
② 软骨和骨组织；
③ 结缔组织。
4．亚细胞和分子水平的放射敏感性
同一细胞不同亚细胞结构的放射敏感性存在着很大差异，细胞内各不同“靶”分子相对放射敏感性的顺序如下：
DNA>mRNA>rRNA>蛋白质
DNA分子数量有限，而且它是遗传的物质基础，上述不同生物大分子放射损伤的敏感性顺序表明了DNA分子的重要性，这就使得DNA损伤在整个细胞的放射损伤中占据着特别重要的地位。